dna損傷修復缺陷與疾病的關係（對出錯的DNA進行補胎操作）

2023-04-13 14:50:35

三位科學家獲獎

瑞典時間2015年10月7日11時45分（北京時間17時45分），瑞典皇家科學院秘書長戈蘭·漢松（GöranK.Hansson）宣布，將2015年諾貝爾化學獎授予瑞典的託馬斯·林達爾（Tomas Lindahl），美國的保羅·莫德裡（Paul Modrich）和土耳其的阿齊茲·桑賈爾（Aziz Sancar），以表彰他們在「DNA修復的機理研究」方面做出的貢獻。三位獲獎者將均分800萬瑞典克朗（約合92萬美元）的獎金。

獲獎者介紹

託馬斯·林達爾（Tomas Robert Lindahl），1938年1月28日出生於瑞典斯德哥爾摩。1967年在斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院獲得博士學位。獲獎時工作單位：英國赫特福德郡弗朗西斯克裡克研究所、英國赫特福德郡克萊爾霍爾實驗室

諾貝爾獎獲得者：託馬斯·林達爾

託馬斯·林達爾出生於瑞典斯德哥爾摩。他在斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院學習，並於1967年獲得博士學位。在新澤西普林斯頓大學和紐約洛克菲勒大學進行博士後研究後，他成為瑞典哥德堡大學的醫學和生理化學教授。自1981年以來，他在英國赫特福德郡克萊爾霍爾實驗室的癌症研究中心工作。

林達爾在1994年在體外完成了大腸桿菌的鹼基修復過程，兩年後又完成了人的體外鹼基修復。

保羅·莫德裡奇（Paul Modrich），1946年6月13日出生於美國新墨西哥州的拉頓（Raton）。1973年在史丹福大學獲得博士學位。獲獎時工作單位：美國達勒姆霍華德休斯醫學研究所，杜克大學醫學院。

諾貝爾獎獲得者：保羅·莫德裡奇

保羅·莫德裡奇出生於美國新墨西哥州科爾法克斯縣的拉頓，並在那裡長大。1973年，他在史丹福大學獲得博士學位，並在麻省理工學院(MIT)學習。自1976年以來，他在北卡羅來納州達勒姆的杜克大學工作。保羅·莫德裡奇還隸屬於馬裡蘭州切維蔡斯的霍華德·休斯醫學研究所。

1989年，莫德裡奇在體外完成大腸桿菌鹼基錯配修復系統的重建。2004年，莫德裡奇在體外實現人鹼基錯配修復。

阿齊茲·桑賈爾（Aziz Sancar），1946年9月8日出生於土耳其薩維爾（Savur）。1969年在土耳其的伊斯坦堡大學獲醫學博士(MD)學位， 1979年在德克薩斯大學達拉斯分校獲得分子生物學博士(PhD)學位。獲獎時工作單位：美國北卡羅來納大學教堂山分校。

諾貝爾獎獲得者：阿齊茲·桑賈爾

阿齊茲·桑卡爾出生在土耳其東南部的薩烏爾一個中下階層家庭。他的父母沒有受過教育，但認為教育對他們的孩子很重要。桑卡爾曾在伊斯坦堡大學和達拉斯德克薩斯大學學習，並於1977年獲得博士學位。他是北卡羅來納大學教堂山醫學院的教授。阿齊茲·桑卡爾(Aziz Sancar)的妻子格溫·博爾斯·桑卡爾(Gwen Boles Sancar)也是生物化學和生物物理學教授。

1981年，桑加爾實現了大腸桿菌三種蛋白UvrABC核酸內切酶重建，並證實該系統可實現對核苷酸的切除。1995年，桑加爾進一步證實了人也具有類似的體外核苷酸切除過程。

研究工作介紹

DNA基本知識

DNA，中文名為脫氧核糖核酸，是生物細胞內的四種生物大分子之一（蛋白質，核酸，脂質和糖類）。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質所必需的遺傳信息，是生物體發育和正常運作不可或缺的生物大分子。

DNA

DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。脫氧核苷酸由含氮鹼基、脫氧核糖和磷酸構成。其中鹼基有4種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），也就是說脫氧核苷酸也有四種。

DNA 分子結構中，兩條多脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞，構成雙螺旋結構。脫氧核糖-磷酸鏈在螺旋結構的外面，鹼基朝向裡面。兩條多脫氧核苷酸鏈反向互補，通過鹼基間的氫鍵形成的鹼基配對相連，形成相當穩定的組合。人體的1號染色體含有約2.5億個鹼基對。

DNA結構示意圖

DNA中鹼基的排列順序構成了遺傳信息。該遺傳信息可以通過轉錄過程形成RNA，然後其中的mRNA通過翻譯產生多肽，進而形成各種各樣的蛋白質。

DNA的結構

DNA所攜帶的遺傳信息決定生命體的生老病死等命運，因此DNA結構的穩定性具有十分重要的作用。但是DNA的結構穩定性是個相對概念，細胞內的DNA每時每刻都在面臨內外多種因素的威脅，包括含氮鹼基的不穩定性，生命體代謝產生的自由基，膚質本身的相對精確性等，而外部因素包括紫外線，電離輻射，烷化劑等。這些不穩定因素使得DNA非常容易出現損傷而引發基因突變。

根據克裡克的中心法則，遺傳信息先從DNA轉錄到RNA，再通過翻譯耦控制合成相應的蛋白質，隨後合成的蛋白質執行相應的生理功能。因此DNA的基因變異會導致最終合成的蛋白質發生改變，進而影響生物學功能，引發疾病發生等。

中心法則圖解

雖然基因突變是物種進化的推動力，但過多的突變會引發遺傳不穩定，進而對物種產生毀滅性後果。現實情況儘管存在多種損傷因素，但機體內的DNA結構卻出奇穩定，這表明生物體內存在一套完整且精細的DNA修復系統。

科學家經過大量的研究，這套DNA修復系統包括以下的內容。

鹼基切除修復

1.損傷原因

DNA中的部分含氮鹼基容易自發化學反應而造成鹼基類型和配對模式的改變，從而引發突變發生。以胞嘧啶C為例，它非常容易發生脫氨基反應變為尿嘧啶U，使得原來的C-G配對變為U-A配對。當細胞中的DNA在複製的時候就會引發DNA突變。而如果該鹼基處於關鍵位置，將會造成嚴重的後果。

C變成U的過程 圖源文獻2

2.修復機制

20世紀60年代末，託馬斯·林達爾（Tomas Robert Lindahl）從瑞典卡羅林斯卡醫學院畢業後，從事研究胞嘧啶C脫氨基的修復過程，這個過程的關鍵是機體如何識別出C變為U而加以糾正的。

經過幾年的努力，林達爾在1974年發現了尿嘧啶-DNA糖基化酶（UNG），這種酶能專一性識別出DNA中的混入的鹼基U並將其切除，因為DNA的四種鹼基為ATGC，U是屬於RNA的鹼基。隨後研究人員又發現了一系列的特異性DNA糖基化酶（完成其他錯誤鹼基的識別和切除），從而確定機體內存在一個完整的修復系統。

又經過20年的努力，林達爾在1994年在體外完成了大腸桿菌的鹼基修復過程，兩年後又完成了人的體外鹼基修復，這兩個進展具有非常重要的意義，因為它們直接模擬了機體內的生物學過程。

脫氨基胞嘧啶殘基(尿嘧啶U)的去除

以切除U為例，說一下鹼基切除修復過程：①糖基化酶UNG需要在DNA數以億計的鹼基中尋找到混入的U（正常的DNA不含有U，因此會將其視為異物），②發現U後將其從DNA雙螺旋內部翻轉到鏈外，糖基化酶將鹼基U和脫氧核糖之間的糖苷鍵斷裂而除去鹼基U，這是最關鍵的一步，剩下一個無鹼基位點（AP位點），③隨後被AP位點核酸內切酶及其它酶輔助催化去掉脫氧核糖骨架而出現單核苷酸缺口，④接下來，DNA聚合酶根據模板信息G將缺失位置補上正確的鹼基C，最終DNA連接酶負責形成完整雙鏈。

鹼基切除修復 圖源文獻2

怎麼理解這個鹼基切除修復呢？就相當於自行車被釘子扎到後補一次胎一樣。

DNA出現了異物U：UNG識別出異物U→將其翻轉至鏈外→切除異物鹼基→切除（跟鹼基連接的）脫氧核糖骨架→補上正確鹼基C。

當內胎被釘子扎了：將內胎翻出來→找出被扎部位→拔掉釘子→用銼刀將漏洞口周邊銼出毛刺→粘上補胎貼。

自行車補胎

兩者簡直異曲同工啊。

核苷酸切除修復

1.損傷原因

紫外線導致TT二聚體 圖源文獻2

1960年科學家發現一定劑量紫外線照射會引發細菌DNA的兩個相鄰鹼基TT自身共價相連形成二聚體，從而破壞DNA雙螺旋結構，造成DNA複製過程中鹼基錯配甚至鹼基缺失，使得細菌出現死亡。後來又發現用可見光（光修復）或未經紫外線照射的細菌裂解液（裂解液）處理則可恢復正常，但人們並不了解其中的詳細機制。

光解酶修復受損DNA

2.修復機制

20世紀70年代，桑加爾在美國跟隨導師研究DNA修復過程。1976年，桑加爾成功鑑定了光修復酶。但隨後將精力投入到暗修復系統，因為早在1966年，就有研究發現表明三個基因UvrA、UvrB和UvrC對保證減少DNA損傷具有重要意義。1981年，桑加爾完成三種蛋白質的純化，隨後首次實現了大腸桿菌三種蛋白UvrABC核酸內切酶重建，並證實該系統可實現對核苷酸的切除。1995年，桑加爾進一步證實了人也具有類似的體外核苷酸切除過程，證明該系統具有較高保守性。

大腸桿菌核苷酸切除修復的簡化模型

以細菌TT二聚體切除為例，核苷酸切除修復過程如下：①兩個UvrA亞基和一個UvrB亞基先形成三元複合物，②三元複合物沿著DNA雙鏈尋找出損傷點，③UvrA專一性識別TT二聚體後，激活UvrB解旋酶的活性，使得損傷部位局部結構鬆散，④一個UvrC亞基代替兩個UvrA亞基，啟動損傷位置前後隔一段距離的精確內切，大約會出掉十二三個核苷酸長度的片段，⑤最後DNA聚合酶和連接酶把空缺補充完整。

核酸切除修復 圖源文獻2

怎麼理解核苷酸切除修復呢？DNA的這個TT二聚體，可以理解為自行車內胎出現一個鼓包。

DNA出現TT二聚體：形成三元複合物→尋找損傷點→解旋使得損傷點附近結構鬆散→精確內切→補上切掉的片段

自行車內胎出現鼓包：將內胎翻出來→尋找出鼓包部位→切除鼓包及其周邊部位→補上被切掉的那一截。

輪胎鼓包示意圖

這個跟前面的鹼基切除修復相比，因為形成TT二聚體後對DNA的影響比較大。一個鼓包比漏洞的修復要費勁得多。所以後面的這個修復過程比之前的要麻煩一些，但基本過程都是相似的，都是補胎的那一套。

鹼基錯配修復

1.損傷原因

雖然DNA聚合酶具有較高的保真度，但一條染色體至少含有千萬個鹼基對，在DNA的複製過程中不可避免會出現細小的差錯。DNA聚合酶本身也具有校對功能，使得出錯率為0.001%。雖然這個數值已經夠低了，但是人的基因組總共有30億對鹼基，再小的出錯率乘以30億都是一個不可忽視的數值。因此細胞還需要一個二次校對系統，進一步降低DNA複製過程中的出錯率。

2.修復機制

科學家最早是在肺炎球菌中發現鹼基錯配修復系統的，隨後在大腸桿菌中鑑定出多種基因與此相關，稱為Mut基因，其中最關鍵的有三個基因MutS、MutH和MutL。1976年，科學家發現大腸桿菌的DNA在GATC位點存在甲基化現象，但複製後的子代鏈卻不發生甲基化現象，同年馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）發現鹼基錯配修復過程中，修復基本只在一條鏈中完成。1983年，莫德裡奇確定GATC位點的甲基化是鹼基錯配修復的重要識別標誌，保證只修復子代鏈而不影響親代鏈。莫德裡奇隨後純化三種相關基因產物MutS、MutH和MutL，並在1989年在體外完成大腸桿菌鹼基錯配修復系統的重建。2004年，莫德裡奇在體外實現人鹼基錯配修復，並證明該系統保守性。

細菌DNA錯配修復過程如下：①細菌的MutH和模板鏈DNA甲基化GATC位點結合，而MutS識別錯配位置。②MutL將MutH和MutS拉近形成三元複合物，激活MutH核酸內切酶活性，在靠近甲基化位點將新生鏈DNA切開。③招募解螺旋酶從切口位置向錯配位點移動而將雙鏈解開，待跨過錯配鹼基位置後將子代鏈切除。④最後由DNA聚合酶和連接酶把空缺補充完整。

鹼基錯配修復 圖源文獻2

還是用補胎理論來理解一下鹼基錯配修復，但是這個要比前面的更複雜，前面的輪胎雖然需要修補，但是輪胎在生產製造的時候質量是沒問題的，而這個鹼基錯配就相當於製造的時候出現問題了，製造材料中混入了雜質。現在的任務是要對這些質量殘次的成品輪胎修補完整，所以工作量更大了。

鹼基錯配修復：MutS識別出錯配位置→將子代鏈DNA切開→解開雙鏈跨過錯配位點將子代鏈切除→補充完整。

輪胎修補：把輪胎翻出來→用儀器探測出混雜的部位→把質量差的部位切斷→補充完整。

這個修補過程看著更麻煩，但最主要的是確定出出錯的部位。找到出錯部位後，修補工作跟前面的過程基本大同小異。

後記總結

生命科學領域具有DNA中心論（也稱鹼基論），包括兩條前提：鹼基序列和互補配對。DNA的結構完整性是生命穩定得以維持的基礎，而DNA修復系統是一種重要的錯誤糾正機制。

通俗來理解，DNA是修復跟自行車的輪胎修補差不多。找出出錯部位，切掉出錯部位，把空缺部位補充完整。

這項發現的重要性一方面體現在深化對生命系統穩定遺傳機制的理解和認識，另一方面也為部分疾病治療帶來新的希望。DNA修復系統的缺失或功能下降導致DNA損傷逐漸增加，引起編碼基因突變、基因組不穩定等後果，最終出現衰老或癌症，如黑色素瘤、結腸癌等均已發現與DNA修復缺陷相關。通過設計特定藥物增加細胞DNA修復能力而減少DNA損傷有望成為癌症治療新思路，但從基礎研究到最終臨床應用仍有很長的路要走。

參考文獻

[1] https://www.nobelprize.org

[2]郭曉強.DNA損傷與修復——2015年諾貝爾化學獎解讀[J].生命世界,2016(04):46-51.